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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于水溶性苝酰亞胺衍生物—維納米結(jié)構(gòu)傳感性能的研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
我們制備一類水溶性的苝酰亞胺衍生物，系統(tǒng)的研究其在水相和甲醇中組裝行為。通過改變?nèi)軇┑姆N類，實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)形態(tài)從納米管到納米棒的調(diào)控，并對(duì)其組裝機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究。并對(duì)獲得單根納米管和納米棒傳感性質(zhì)進(jìn)行研究，闡述了形態(tài)結(jié)構(gòu)與傳感性質(zhì)的關(guān)系，使其在應(yīng)用于傳感器核心材料時(shí)具有更大的選擇性，更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更高的靈敏性。
詳細(xì)介紹：
作為一類獨(dú)特的n型有機(jī)半導(dǎo)體，一些苝酰亞胺衍生物通過分子間的π-π相互作用及其它非共價(jià)鍵作用力，自組裝成為納米帶[4]，納米線[5]和納米管[6]已被廣泛報(bào)道。然而，這些分子組裝均是在有機(jī)溶劑進(jìn)行的，分子在水相中的自組裝行為卻未見報(bào)道。本論文中，我們制備一類水溶性的苝酰亞胺衍生物N, N’-雙（2-（季銨基乙撐））- 3, 4 : 9, 10-苝二酰亞胺碘鹽（PTCDI-I），系統(tǒng)研究其在水相和甲醇中組裝行為。通過改變?nèi)軇┑姆N類，實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)形態(tài)從納米管到納米棒的調(diào)控，并對(duì)其組裝機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究。并對(duì)獲得單根納米管和納米棒傳感性質(zhì)進(jìn)行研究，闡述了形態(tài)結(jié)構(gòu)與傳感性質(zhì)的關(guān)系，使其在應(yīng)用于傳感器核心材料時(shí)具有更大的選擇性，更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更高的靈敏性。 隨著人們生活水平的提高和對(duì)環(huán)保的日益重視，對(duì)各種有毒、有害，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)控以及對(duì)食品和人居環(huán)境質(zhì)量的檢測(cè)都提出了更高的要求，作為感官或信號(hào)輸入部分之一的氣體傳感器已經(jīng)對(duì)氣體的探測(cè)必不可少。氣體傳感器能夠?qū)崟r(shí)對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測(cè)和分析，具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；因此它在醫(yī)藥、化工、環(huán)保、交通、質(zhì)檢、軍事、食品、防偽、家居等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但目前市場(chǎng)上的傳感器存在或多或少選擇性相對(duì)較小，靈敏度相對(duì)較低，穩(wěn)定性相對(duì)較差等缺點(diǎn)。氣體傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開發(fā)正日益受到重視，世界各國紛紛投巨資進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究。 我們對(duì)水合肼及苯肼對(duì)PTCDI-I單根納米管和納米棒電阻影響的機(jī)理進(jìn)行研究。當(dāng)水合肼和苯肼注入PTCDI-I的水溶液后，在740 nm處有一明顯的吸收峰出現(xiàn)，表明了PTCDI-I分子間形成了較強(qiáng)的π電子離域。這一較強(qiáng)的π電子離域?qū)е铝薖TCDI-I納米管和納米棒的電阻迅速減小。但隨著三乙胺溶液注入，PTCDI-I水溶液的紫外吸收光譜強(qiáng)度隨有減弱卻沒有任何新的吸收峰，表明三乙胺對(duì)PTCDI-I分子的電子遷移影響較小。對(duì)于PTCDI-I納米管和納米棒在水合肼和苯肼氣氛下電阻變化值不同且平衡時(shí)間有所差異，其原因可歸結(jié)為兩者與氣體的接觸面積不同。相比納米棒摻雜而言，水合肼氣體經(jīng)過與納米管外壁的迅速摻雜和內(nèi)壁的緩慢擴(kuò)散過程。當(dāng)其與納米管外壁摻雜時(shí)，導(dǎo)致其電阻迅速降低，而其在納米管內(nèi)壁緩慢擴(kuò)散時(shí)，延緩電阻達(dá)到平衡。而納米棒僅與水合肼氣體發(fā)生外壁地迅速摻雜過程，因此，導(dǎo)致其電阻迅速下降且很快達(dá)到平衡。但由于其與水合肼的摻雜面積相對(duì)較小，最終導(dǎo)致其電阻變化較小。 該納米結(jié)構(gòu)對(duì)還原性胺類氣體如水合肼，苯肼有較強(qiáng)的敏感性。隨著還原性氣體的注入，其電阻顯著下降。光譜研究表明，還原性氣體使PTCDI-I分子間發(fā)生較強(qiáng)π電子離域，導(dǎo)致該納米結(jié)構(gòu)電阻顯著下降。PTCDI-I納米結(jié)構(gòu)傳感性質(zhì)，使得其在納米電子器件和氣體傳感器等方面有著潛在的應(yīng)用。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

通過對(duì)水溶性苝酰亞胺衍生物一維納米結(jié)構(gòu)傳感性能的研究，探究其在傳感性能上比現(xiàn)用的傳感器材料更領(lǐng)先，更實(shí)用，更具市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)的性能，使其在應(yīng)用于傳感器核心材料時(shí)具有更大的選擇性，更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更高的靈敏性。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

我們制備一類水溶性的苝酰亞胺衍生物，系統(tǒng)的研究其在水相和甲醇中組裝行為。通過改變?nèi)軇┑姆N類，實(shí)現(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)形態(tài)從納米管到納米棒的調(diào)控，并對(duì)其組裝機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究。并對(duì)獲得單根納米管和納米棒傳感性質(zhì)進(jìn)行研究，闡述了形態(tài)結(jié)構(gòu)與傳感性質(zhì)的關(guān)系，使其在應(yīng)用于傳感器核心材料時(shí)具有更大的選擇性，更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更高的靈敏性。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

氣體傳感器能夠?qū)崟r(shí)對(duì)各種氣體進(jìn)行檢測(cè)和分析，具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；因此它在醫(yī)藥、化工、環(huán)保、交通、質(zhì)檢、軍事、食品、防偽、家居等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但目前市場(chǎng)上的傳感器存在或多或少選擇性相對(duì)較小，靈敏度相對(duì)較低，穩(wěn)定性相對(duì)較差等缺點(diǎn)。氣體傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開發(fā)正日益受到重視，世界各國紛紛投巨資進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究。

學(xué)術(shù)論文摘要

水合肼及苯肼對(duì)PTCDI-I單根納米管和納米棒電阻影響的機(jī)理進(jìn)行研究。當(dāng)水合肼和苯肼注入該的水溶液后，在740 nm處有一明顯的吸收峰出現(xiàn)，表明了該分子間形成了較強(qiáng)的π電子離域。這一較強(qiáng)的π電子離域?qū)е铝嗽摷{米管和納米棒的電阻迅速減小。但隨著三乙胺溶液注入，該水溶液的紫外吸收光譜強(qiáng)度隨有減弱卻沒有任何新的吸收峰，表明三乙胺對(duì)該分子的電子遷移影響較小。對(duì)于該納米管和納米棒在水合肼和苯肼氣氛下電阻變化值不同且平衡時(shí)間有所差異，其原因可歸結(jié)為兩者與氣體的接觸面積不同。相比納米棒摻雜而言，水合肼氣體經(jīng)過與納米管外壁的迅速摻雜和內(nèi)壁的緩慢擴(kuò)散過程。當(dāng)其與納米管外壁摻雜時(shí)，導(dǎo)致其電阻迅速降低，而其在納米管內(nèi)壁緩慢擴(kuò)散時(shí)，延緩電阻達(dá)到平衡。而納米棒僅與水合肼氣體發(fā)生外壁地迅速摻雜過程，因此，導(dǎo)致其電阻迅速下降且很快達(dá)到平衡。但由于其與水合肼的摻雜面積相對(duì)較小，最終導(dǎo)致其電阻變化較小。 光譜研究表明，還原性氣體使該分子間發(fā)生較強(qiáng)π電子離域，導(dǎo)致該納米結(jié)構(gòu)電阻顯著下降。該納米結(jié)構(gòu)傳感性質(zhì)，使得其在納米電子器件和氣體傳感器等方面有著潛在的應(yīng)用

獲獎(jiǎng)情況

暫無

鑒定結(jié)果

暫無

參考文獻(xiàn)

[1] Engelkamp, H.; Middlebeek, S.; Nolte, R. J. M. Self-Assembly of Disk-Shaped Molecules to Coiled-Coil Aggregates with Tunable Helicity. Science 1999, 284, 785. [2] Wu, J.; Watson, M. D.; Zhang, L.; Wang, Z.; Müllen, K. Hexakis(4-iodophenyl)-peri hexabenzocoronene- A Versatile Building Block for Highly Ordered Discotic Liquid crystalline Materials. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 177-186. [3] (a) Würthner, F. Perylene Bisimide Dyes as Versatile Building Blocks for Supra Mole Cular Architectures. Chem. Commun. 2004, 1564-1579. (b) Zang, L.; Che, Y.;Moore, J. S. One-Dimensional Self-Assembly of Planarπ-Conjugated Molecules:Adap table Building Blocks for Organic Nanodevices. Acc. Chem. Res. 2008, 41,1596-1608.

同類課題研究水平概述

氣體傳感器的研究經(jīng)歷了無機(jī)半導(dǎo)體傳感器，光學(xué)式氣體傳感器，石英諧振式氣體傳感器，表面聲波氣體傳感器，接觸燃燒式氣體傳感器。他們?cè)谘芯恐鯉砹酥卮蟮囊饬x和價(jià)值。但隨著檢測(cè)要求的深化，目前市售的這些氣體傳感器仍然存在一些選擇性和穩(wěn)定性較差等問題。氣體傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)的進(jìn)一步提高、新的氣敏材料和新型氣體傳感器的開發(fā)正日益受到重視，世界各國紛紛投巨資進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究。 為了解決上述問題，眾多研究者把目光轉(zhuǎn)移到了目前占突出優(yōu)勢(shì)的是有機(jī)材料氣體傳感器。有機(jī)半導(dǎo)體材料由于其易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器相結(jié)合, 并且可以根據(jù)功能需要進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和合成等諸多優(yōu)點(diǎn)越來越受到國內(nèi)外研究人員的重視。 并且為了克服薄膜類的選擇性小，靈敏度低，穩(wěn)定較差等缺點(diǎn)，研究人員又把目光聚集到選擇范圍廣，靈敏度高，穩(wěn)定較好的納米材料。筆者試想研究把有機(jī)半導(dǎo)體材料和納米技術(shù)充分的融合在一起，研究出新型的有機(jī)半導(dǎo)體納米氣敏材料。 苝酰亞胺衍生物（PTCDI）作為一類n型有機(jī)半導(dǎo)體材料，它們所具有的結(jié)構(gòu)使得吸附氣體分子與有機(jī)半導(dǎo)體之間產(chǎn)生電子授受關(guān)系導(dǎo)致其電流（電阻）發(fā)生顯著變化，因而可以用來作為制備檢測(cè)氣體的氣敏傳感器的的核心材料。如University of Utah的 Ling Zang和中國科學(xué)院化學(xué)研究所趙進(jìn)才研究員等人研究發(fā)現(xiàn)單側(cè)被電子給體取代的苝酰亞胺衍生物納米帶可吸附硝基甲烷，硝基苯等爆炸性氣體導(dǎo)致其光電流發(fā)生變化，可將其用于爆炸性氣體的檢測(cè)[7]。中國南開大學(xué)劉育教授研究小組發(fā)現(xiàn)兩側(cè)含有環(huán)糊精的苝酰亞胺衍生物對(duì)NH3具有較強(qiáng)的敏感性該氣體可以導(dǎo)致其納米結(jié)構(gòu)的熒光淬滅。而這上述的幾類眾多種氣體在醫(yī)藥、化工、環(huán)保、交通、質(zhì)檢、軍事、食品、防偽、家居等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此進(jìn)一步提高苝酰亞胺衍生物的器皿檢測(cè)性能可在醫(yī)藥、化工、環(huán)保、交通、質(zhì)檢、軍事、食品、防偽、家居等眾多領(lǐng)域獲得重大意義。由此可見，通過簡(jiǎn)易方法制備大量的功能性納米材料，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
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